基于遥感数据的在建隧道地表生态环境动态变化分析——以广东省大丰华高速鸿图隧道为例

尹利君，王 瑾，陈 沛，罗秋宏

(1.广东省有色矿山地质灾害防治中心，广东 广州 510080；2.广东省南粤交通大丰华高速公路管理处，广东 梅州 514300；3.广东金东建设工程公司，广东 广州 510080)

0 引言

隧道是山区高等级公路建设中常见的大型工程，修建隧道能够合理利用土地资源、缩短行程、节约成本等，然而深埋隧道涌突水对生态环境具有较大的影响，地下水若大量或长时间由隧道排出，将可能导致地下水位下降从而可能引起当地的生态环境恶化[1-4]。生态环境保护是我国环境保护工作的重要内容之一，因此，研究隧道地表生态环境动态变化具有重要的现实意义[5-6]。

针对此问题，有学者在废弃物、水土保持、地下水和污染等方面探讨了隧道对周围环境的影响机制[7-11]。但对地表生态环境影响方面研究的较少[12]。随着遥感技术的发展，其在生态环境研究方面逐步得到应用[13-15]。遥感图像具有高分辨率、宽覆盖、高质量成像、高效能成像、国产化率高等特点，其图像数据主要应用于农业、林业和减灾业务领域，尤其是最近几年被广泛用于生态环境监测保护方面，如在云南碧鸡关隧道、重庆中梁山隧道和青藏公路格尔木至拉萨段工程的地表生态环境方面研究取得了丰富的成果[16-18]。

广东省梅州市大丰华高速公路鸿图隧道地质及水文条件极为复杂，施工期间最大涌水量达104m3/d以上，分析隧道施工对周边环境的影响具有重要的研究意义。基于此，运用遥感技术对隧址区隧道建设前、中与营运后三个阶段的地表环境进行研究，通过人机交互式遥感解译，获取各期影像的地表覆盖分类信息，在此基础上揭示生态环境中的植被、水体、裸地及人类活动的动态演化规律，研究隧道建设过程中地表环境在时间和空间上的分布特征。

1 工程背景

鸿图隧道位于广东省丰顺县汤西镇至五华县郭田镇之间，左右洞分别长6 335 m及6 332 m，地面标高345～1 060 m，隧道底部设计标高239～344 m，最大埋深约770 m，属深埋特长山岭隧道[19]。隧道地表分布飞泉水库和黄棉湖水库，隧道不仅穿越数条较大的地表溪流，地质构造复杂，斜穿区域性北东向莲花山断裂带，施工中多处出现突涌水，严重威胁隧道结构安全及周边生态环境，如图1所示[20-21]。经监测，施工期间隧道最大排水量超104m3/d，连续数月达8～9万 m3/d，隧道建设期总排水量约8×107m3，隧道竣工通车后，仍保持4～5万 m3/d。长期排放地下水是否会打破隧址区及周边多年来形成的水环境平衡，从而带来一系列植被及地表水体的变化等生态环境问题[22]，将是本文研究的重点。

2 研究方法

2.1 理论基础

遥感提供了反映地质、地貌、水文、土壤、植被及社会生态等的综合信息，由相互关联的自然及社会现象所构成的，组成元素包括空间分辨率、波普分辨率及时间分辨率。遥感解译指从遥感图像上获取有用信息的基本过程。利用各种解译标志，据理论与经验，在遥感图像上识别、分析地物和知识现象，揭示其性质、运功规律及成因联系。其中解译分为目视解译与计算机解译两种。

2.2 研究过程

通过遥感解译，对隧道建设前、中和运营三个时间段，结合bigmap的三维立体模型分析，分析研究区较易监测的主要地物类型，在此基础上进行研究区隧道地表的植被覆盖指数、植被覆盖度等相关指标的反演，制定了大丰华高速公路鸿图隧道地表植被环境的遥感监测研究方法，具体步骤为

2.2.1 确定研究范围

进行野外调查，对研究区遥感影像的初步观察研究，建立识别遥感影像上的地物分类，同时利用踏勘点的GPS定位坐标进行误差校正。最后在ENVI软件中对遥感影像进行预处理。

2.2.2 波段组合

受显示条件的限制，本文所用的图像为worldview2、Pleiades-1和高分六号卫星影像三种。为提高实验精度，在对图像进行分析时，采用不同的波段组合。如不同地物分类时使用432假彩色合成，综合分析时采用321真彩色合成。

2.2.3 监督分类

选用最大似然法进行地物的分类。此外，利用高分影像的红光和近红外波段估算研究区隧道建设前、中、后期的不同植被指数大小。最后对不同卫星、时段的影像选择适当的方法来进行地表植被覆盖度反演。

2.2.4 结果分析

据提取的地表植被覆盖度结果揭示隧址区地表植被环境动态变演化机制。

3 实验

鸿图隧道于2019年开始施工，2021年1月贯通竣工。本次项目中所用的图像为Pleiades、WorldView-2和高分六号卫星影像三种，如表1所示。成像时间分别为隧道建设前Pleiades(2017年1月1日)、隧道建设中WorldView-2 (2019年12月11日)和建设后高分六号卫星(2021年2月15日)。

经过遥感影像预处理，裁剪出相等区域的隧道影像，对解译区域的高分辨率影像数据进行几何校正、图像融合、镶嵌、大气校正等处理，对于明显有高低落差的山区影像，通过正射校正以减低地形对影像的影响，以满足解译精度要求。

本次采用Pleiades、WorldView-2和高分六号卫星影像的蓝、绿、红、近红外4个波段进行波段组合。根据影像特征，即形状、大小、阴影、色调、颜色、纹理、图案、位置和布局建立起影像和实地目标物之间的对应关系。通过对研究区波段组合基础遥感影像的详细研究，结合bigmap的3维立体模型分析，划分出4大类研究区主要的研究地物类型：植被覆盖、水体、裸地、人类活动区域。其中植被主要包括林、灌、草；裸地主要包括沙地、坡耕地等，其覆盖度可能因时间不同而发生变化；人类活动区域主要包括城镇建筑、道路、工事等；水体主要包括河流、湖泊、池塘等，如图2所示。

图2 隧道修建前、施工中及运营一年后监督分类结果对比

监督分类后，对分类结果中四类指数(即自然植被覆盖率、地表水体、裸地和人类活动范围面积所占比例)进行统计，如表2所示。本文利用归一化植被指数和混合像元分解法植被厚度计算结果分析，得到遥感影像植被覆盖度图如图3所示。对解译成果经过实地踏勘查证，隧道进出口两端主要为隧道建设形成的渣土、各类工程工地等人为导致绿地减少。涌水较大的区域分布于隧址区中-东部，经实地调查，该区域未见有明显的植物枯死和减少现象。

表2 分类结果四类指数统计表

图3 卫星遥感植被覆盖度

4 结果分析

4.1 时间因素

图2表明，对于鸿图隧道在2017年、2019年到2021年三个时段内，自然植被覆盖面积和地表水体面积均是先增大后减小，裸地面积为逐年增加，人类活动范围面积则是先减小再增加。如图4所示，在隧道修建中，自然植被和地表水体面积的增加，说明隧道在修建过程中并没有对隧址区自然植被和地表水体带来明显影响。而隧道运营后，隧道进出口两端的自然植被和水体则出现减小是由于隧道口附近的各类边坡、道路、弃石场及工业场地等人类活动影响所致。

图4 监督分类后各类地物分布面积对比图

4.2 空间因素

图3显示，隧址区土地利用类型中，植被覆盖类型范围最广，面积最大。其中植被覆盖度从总体上看，以中度到中高度覆盖植被为主。其等级分布具有明显的空间异质性，植被覆盖度高的地区主要分布在隧址区中部及西南部；中度植被覆盖度区域主要为中偏东部，西北部等；而隧址区东南部、西北部的植被覆盖度有所降低，这主要是由于这些部分为人类活动范围、地表水体分布所影响，并且中低植被覆盖度区域具有逐年扩大的趋势。植被面积发生减少的范围主要是隧道两端，根据涌水水文观测，隧道两端涌水量很小，而隧址区中部涌水量较大。显然植被面积减少与隧道涌水地段不相吻合。即隧址区植被面积的减少与涌水关联不大，与人类活动及工程建设导致的土地裸露有直接关系。

4.3 降雨因素

根据对隧址区飞泉水库的实时观测，飞泉水库水位的变化主要与降雨有关，其补给来源为大气降水及高于水库的地表溪流。据气象部门查询的隧址区降雨资料看，从2013年至2020年有三次全年降雨量较大的波峰，分别为2013年，2016年和2019年，但总体上，波峰呈下降趋势。尤其是2017年开始，2019年降雨量增大，2020年又减小，这和前述自然植被及地表水体面积呈先增大后减小，加之梅州市2020年持续干旱少雨，全市水库蓄水和江河径流大幅减少。说明隧址区地表植被及水体面积的变化与降雨量呈正相关关系。见图5。

图5 隧址区年降雨量变化图

5 结语

鸿图隧道地表的植被覆盖、水体分布、人类活动和裸地分布情况在三个不同时期具有一定变化特征。针对上述结果，对其生态环境动态变化的原因进行总结和分析，影响因素主要可能包括以下几个方面：

(1)隧道开挖。隧道工程在建设工程中伴随着大量的渣土堆积，工地建筑及公路修建。一般而言，隧道开挖不可避免地会破坏隧道进、出口两端植被。本区尚未发现有直接与地表相通的断层构造体系，涌水地段主要分布于隧址区中部，遥感解译及实际踏勘调查显示，中部区域植被生态稳定。而隧道涌水量较弱的进出口两端区域则出现植被减少的现象，说明本区植被减少与人类工程活动关系最大，人为开挖导致山体裸露是地表自然植被出现局部消失的主要因素。从本次实验数据来看，隧址区植被覆盖面积从17年的31.533%到21年的30.826%，相差仅为0.707%，说明隧道建设对隧址区地表植被等生态环境的影响主要表现在工程活动较多的隧道进出口两端区域，隧道涌突水对地表的植被影响较弱。

(2)季节和降雨。本文中所用隧道的影像成像时间基本是冬季(12、1、2月)，但是不排除部分地区由于时间原因，植被、水体的面积变化存在一定的误差。从12月到2月，气温、降水量下降，可能会因植物叶片枯萎等降低遥感影像对植被分析的灵敏度，也会导致水体资源相应地减小。此外，2020年开始，梅州地区的持续干旱，是水库干枯的主要因素之一。

综上所述，影响鸿图隧道隧址区地表植被及水体等生态环境发生变化的主要因素是降雨，其次为人类活动对自然环境的破坏。本次监测时间段为3年4个月，对于一个地区的生态环境变化，其研究时间段显然偏短，建议进行长期的跟踪监测研究方可揭示隧道长期排水对隧址区的影响程度。